생명가능지대(골디락스 존)란?

생명가능지대는 행성 표면에 물이 액체로 머물 수 있을 만큼 알맞은 온도가 되는, 별 주위의 거리 범위예요. 너무 뜨겁지도 차갑지도 않다는 뜻에서 골디락스 존이라고도 불러요.

생명가능지대란?

우리가 아는 생명은 모두 액체 상태의 물을 필요로 해요. 그래서 천문학자들은 외계에서 생명이 살 만한 곳을 찾을 때, 먼저 행성 표면에 물이 얼지도 끓어 없어지지도 않을 만한 위치인지를 살펴요. 별에 너무 가까우면 물이 증발하고, 너무 멀면 꽁꽁 얼어 버려요. 그 사이의 알맞은 구간이 생명가능지대예요.

골디락스 존이라는 별명은 동화 속 소녀 골디락스가 너무 뜨겁지도 차갑지도 않은 수프를 골랐다는 이야기에서 따왔어요. 생명가능지대에 있다고 해서 생명이 있다는 뜻은 아니고, 물이 있을 수 있는 조건 중 하나를 갖췄다는 뜻이에요.

별이 밝을수록 멀어져요

행성이 받는 빛의 양은 거리의 제곱에 반비례해서 줄어들어요. 그래서 지구가 받는 만큼의 빛을 받으려면, 별이 밝을수록 더 멀리 있어야 하고 어두울수록 더 가까이 있어야 해요. 계산해 보면 생명가능지대까지의 거리는 별 밝기의 제곱근에 비례해요.

• 태양보다 4배 밝은 별이라면 생명가능지대는 약 2배 먼 곳에 있어요.
• 태양 밝기의 100분의 1인 별이라면 약 10분의 1 거리로 가까워져요.

태양의 경우 생명가능지대는 대략 0.95~1.67AU 정도로 추정돼요. 1AU는 지구와 태양 사이의 평균 거리예요. 다만 어떤 기후 모델을 쓰느냐에 따라 경계가 꽤 달라져서, 연구마다 조금씩 다른 값을 제시해요.

눈선과 거대 행성

생명가능지대보다 더 바깥에는 눈선(frost line)이라는 또 하나의 중요한 경계가 있어요. 행성이 만들어지던 시기에 이 선 바깥은 충분히 차가워서 물이 얼음 알갱이로 존재할 수 있었어요. 태양계에서는 약 2.7AU, 화성과 목성 사이의 소행성대 부근이에요.

눈선 바깥에서는 암석뿐 아니라 얼음까지 고체 재료가 되기 때문에 행성의 씨앗이 훨씬 빨리, 크게 자라요. 핵이 충분히 무거워지면 주변의 수소와 헬륨 가스를 끌어당겨 목성이나 토성 같은 가스 거인이 될 수 있어요. 그래서 태양계의 거대 행성들은 모두 눈선 바깥에 있어요.

거리만으로는 부족해요

금성은 생명가능지대 안쪽 경계 근처에, 화성은 생명가능지대 안에 있다고 보는 경우가 많지만 두 행성 모두 지금은 표면에 액체 물이 없어요. 위치 외에도 여러 조건이 맞아야 하기 때문이에요.

• 대기와 온실효과: 대기가 너무 얇으면 열을 붙잡지 못하고, 너무 두꺼우면 금성처럼 폭주 온실효과로 뜨거워져요.
• 자기장: 행성의 자기장은 별에서 날아오는 입자를 막아 대기가 깎여 나가지 않도록 지켜 줘요.
• 판 구조 운동: 지구에서는 지각판이 움직이며 탄소를 순환시켜 오랜 시간 기후를 안정적으로 유지하는 데 도움을 줘요.
• 조석 고정: 어두운 별의 생명가능지대는 아주 가까워서 행성이 한쪽 면만 별을 바라보게 될 수 있어요. 그러면 낮 쪽과 밤 쪽의 온도 차가 극단적일 수 있어요.
• 행성의 크기: 너무 작으면 중력이 약해 대기를 오래 붙잡지 못해요.

생명가능지대도 움직여요

생명가능지대는 한 번 정해지면 영원히 그대로인 것이 아니에요. 태양 같은 별은 나이를 먹을수록 조금씩 밝아지기 때문에 생명가능지대도 천천히 바깥쪽으로 옮겨 가요. 태양은 처음 태어났을 때 지금보다 약 30% 정도 어두웠던 것으로 생각돼요. 그래서 오랜 시간 동안 계속 생명가능지대 안에 머무는 구간, 즉 지속 생명가능지대라는 개념도 따로 연구되고 있어요. 생명이 나타나고 자라려면 수억 년, 수십억 년의 시간이 필요할 수 있으니까요. 먼 미래에 태양이 더 밝아지면 지구도 언젠가는 생명가능지대의 안쪽 경계를 넘어서게 될 거예요.

생명가능지대의 외계행성들

• TRAPPIST-1 e, f, g: 약 40광년 떨어진 적색왜성 TRAPPIST-1에는 지구 크기의 행성이 7개나 있어요. 이 별은 태양 밝기의 약 0.05%에 불과해서 생명가능지대가 별에서 아주 가까운데, e, f, g가 그 범위에 들어갈 가능성이 있는 행성으로 꼽혀요.
• 프록시마 센타우리 b: 태양에서 가장 가까운 별을 약 11일마다 도는 행성이에요. 생명가능지대 안에 있지만, 별의 잦은 플레어 때문에 대기가 남아 있을지는 아직 알 수 없어요.
• Kepler-186f: 다른 별의 생명가능지대에서 처음 확인된 지구 크기의 행성 가운데 하나예요. 물이 있을 가능성이 이야기되지만 대기는 아직 밝혀지지 않았어요.

이 행성들은 모두 생명가능지대에 있을 뿐, 실제로 물이나 생명이 있는지는 확인되지 않았어요.

Planetica에서는

Planetica는 행성계를 만들 때 중심 별의 밝기를 바탕으로 그 별만의 생명가능지대와 눈선을 계산해요. 각 행성의 온도는 별의 밝기와 궤도 거리로 정해지고, 행성이 생명가능지대 안에 있는지도 함께 보여 줘요. 밝은 별을 가진 행성계와 어두운 별을 가진 행성계를 비교해 보면, 생명가능지대의 위치가 얼마나 달라지는지 직접 느낄 수 있어요. 조정 탭에서 온도나 대기를 바꿔 보며 거리 말고도 어떤 조건이 행성의 모습을 바꾸는지 실험해 보세요.

눈선의 위치도 눈여겨보세요. 눈선 안쪽에는 주로 암석 행성이, 바깥쪽에는 얼음 행성이나 거대 행성이 자리 잡는 경향이 있어서 내 행성계의 구조를 이해하는 데 좋은 단서가 돼요.

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